对特殊高温合金火花放电感兴趣

在IMTS 2010大会上，GF AgieCharmilles(伊利诺伊州林肯郡)美国分公司的高级官员向行业媒体介绍了电火花加工(EDM)应用的趋势，这是该公司的产品专长之一。其中最显著的趋势之一是线切割电火花加工在航空航天和医疗部件上的应用越来越多，而这些部件曾经是这种加工工艺的禁区。我们要求该公司告诉我们更多关于这一趋势及其背后的原因。以下是这些发现的摘要。

今天的高温合金被用于制造航空航天、医疗和其他行业的新一代零件，但传统的加工方法正在努力处理这些材料。这是因为许多制造商都有特殊的，专有的“混合物”这些合金开发自己的规格，以满足他们的特殊应用。这些合金的价值是如此重要，以至于有关它们的细节被严格保密，有关具体应用的信息很少被共享。

然而，所知的是，这些特殊的混合物通常比其商业上可获得的对应物更难，并且在许多情况下，使用传统的加工工艺切割不可能或非常昂贵。因此，许多制造商使用这些材料一直在探索其他非传统的加工方法。电火花尤其是，它再次引起了人们的关注。

在20世纪90年代末和2000年代初，使用Inconel，钛和高温合金的使用急剧增加，特别是在航空航天和医疗行业。然而，电线EDM从未赢得广泛接受作为切割这些材料的选择过程，主要是因为对成品部分中的表面缺陷的疑虑。除了形成所谓的白色层之外，这些日子的EDM技术通常会引起表面平坦（氧化的影响），微裂纹和表面裂化。

白色层由微细的工件材料亚层组成，这些亚层已经被电火花加工过程的高度局域但强烈的热量冶金性地改变了。在这个“热影响区”的材料通常是硬化的，可能以几乎结晶的状态存在。一旦零件投入使用，白层很容易脱落，导致微裂纹，最终零件失效。

高温合金工件中的微裂纹也来自EDM工艺的热量。除了可以降低部分表面完整性的微裂纹之外，EDM可以引起表面裂缝（“线”）和其他化妆品缺陷。尽管该过程仍然比当时所使用的传统加工方法显着更准确，但是对边缘表面的担忧导致它拒绝许多应用。请参阅相反页面上的侧栏。

发电机救援

20世纪90年代末，反电解发电机技术的发展缓解了人们对电火花切割零件外观的担忧，尤其是对发蓝的持续反对。发蓝是工件表面难看的变色，是在电流存在的情况下，某些金属离子和介质水之间的化学反应造成的。从本质上说，它是一种氧化或生锈的形式。虽然反电解实际上已经消除了这个问题，但当涉及到目前正在开发的特殊高温合金混合物时，这种技术往往是不够的。幸运的是，数字发电机的引入弥补了这一差距。

电火花线切割数字发电机最重要的特点之一是能够针对特定材料进行“调整”，包括高温合金的专有混合物。例如，GF AgieCharmilles开发的数字发电机被称为智能发电(IPG)。其他EDM制造商也开发了数字发电机。所有这些都试图利用嵌入在发电机电子线路中的微芯片上的高速数字数据处理技术。然而，这些系统的性能和能力是不同的。例如，在微处理器中运行计算的软件算法是专有的。当然，每个建设者都对其体系的优越性提出了相互竞争的主张。终端用户必须自己辨别哪一个代表最好的价值。然而，航空航天和医疗制造商的一个关键因素是发电机的“调谐”效果如何。

GF AgieCharmilles IPG是具有这种能力的发电机的代表。它的设计适用于广泛的电火花线切割系统，并提供与完美的表面质量相关联的高精度。这个数字发生器控制每个火花的能量，以产生精细到0.05微米(2微米)的表面光洁度。通常情况下，一旦发电机被调整到特定的材料混合，商店将只使用该线机来处理该材料。

调整数字发电机可能是一个相当大的挑战，因为今天的专有高温合金混合物往往是非常相似的，但需要不同的发电机调整优化切割。GF AgieCharmilles成立了一个专家团队，进行测试切割，评估结果，并确定准确的发电机设置，以尽可能快的切割，而不造成微裂纹或其他工件表面缺陷。

本研究的实质是控制电火花加工过程中产生的热量。这需要一种微妙的平衡。电火花加工利用电极和工件之间高度局域转移的电能(“火花”)的热量，字面上蒸发掉工件材料的微小部分。这一过程使电火花加工能够比传统加工过程更有效地切割坚硬、坚硬的材料。然而，除非仔细控制热量，否则热量会达到过高的水平，在工件表面留下不想要的条件。

使用数字发电机调谐，EDM构建器可以通过精确地改变电线EDM的属性来实现优化的余额，其形状及其波长的形状和波长。这些发电机允许构建器缩短电线EDM火花的发生时间，但保持了切割的必要热强度。

通常，当火花脉冲更强烈时，实现这一点，并且开/关周期较短。这些更强烈的火花的持续时间是如此简短的是，很少或没有热量穿透工件以引起微裂缝或产生白色层。根据GFGiecharmilles发电机的独立报告，即使在研究人员进行四次脱脂通道之后，高温合金测试部件也不存在白色层。

高温合金的提示

通过多年的经验，电火花加工制造商已经确定了高温合金线切割有用的做法和技巧。虽然没有关于切割特殊混合合金的既定参数的图表，但对于标准高温合金的设定和程序推荐是一个很好的起点。这些包括介质水变量的选择，电极线类型和机器的特点。

当切割高温合金时，车间应采取措施尽量减少向工件传递热量。实现这一目标的一种方法是保持机器中的介质水冷却。对于线切割高温合金，应考虑冷水机能够将水温保持在±1摄氏度。

然而，在测量成品零件时应谨慎，因为在切割过程中降低零件的温度可能会产生在零件返回车间时发生显著变化的结果。对于某些高温合金来说，这可能是一个严重的问题。

为了进一步避免将热量传递给工件，应将介质水的电导率调整到能够减少导线电极与工件之间的距离或间隙的水平。基本上，适用于切削等级碳化物的导电性水平是高温合金的一个很好的起点。这里有一个简单的解释:降低电导率意味着电极和工件之间的最佳电阻水平可以通过它们之间的一个非常小的间隙实现。在这些条件下，需要更少的能量来克服电阻形成火花。简而言之，同样的功，能量越少，热量就越少。

由于高温合金非常坚硬，GF AgieCharmilles和其他EDM制造商推荐涂覆，甚至双层涂覆的电极线。与普通黄铜相比，涂层金属丝能够更好地控制火花的形成。这使得它更容易产生更强烈的火花，有效地切割高温合金，而不渗透到材料的表面。

适合切割高温合金的金属丝的一个例子是GF AgieCharmilles的AC SW-A;它由黄铜线芯和锌涂层组成。据该公司介绍，AC SW-A特别适合加工需要线切割角度大于10度的复杂零件。

一般来说，像这样的涂层电极线能够从发电机传输更高的电压，因为他们承受的热量产生，而电能是放电的火花。涂层是“牺牲的”。它被设计成在相对较低的温度下熔化，从而吸收和带走热量，否则会影响黄铜芯的强度。(物理学家称这种效应为蒸发潜热)。这使得涂层线切割更有效，同时抵抗断裂和保持工件冷却。

使用实心黄铜丝制作高温合金还有另一个缺点:可能需要重新电镀。在切割过程中，部分黄铜会熔化并在工件表面重新凝固。从零件表面去除铜层可能需要昂贵的清洗过程。如果不去除，重新镀黄铜的薄层会导致错误的零件尺寸测量。当零件在高温下使用时，重新镀黄铜可能会熔化，从而使零件尺寸过小。

用于切割高温合金的电火花线切割单元必须具有持久的精度和准确性。在航空航天和医疗等行业，线机预计将24小时运行。超过50小时的周期并不罕见。在这种条件下工作的机器必须坚固耐用。建议它们还具有用于流程监视和/或问责的远程通知功能。这一功能使机器能够无线地向手机或基于互联网的消息传递系统(如电子邮件网络)发送消息。

这只会变得更加艰难

材料科学的发展趋势是开发强度大、重量轻、耐热、耐腐蚀性能好的材料。拥有加工这些新材料的技术和设备的工厂将很容易赢得围绕其特性设计的零部件的合同。考虑到其灵活性和能力，线切割电火花加工无疑将是这些应用中必不可少的加工资源。